DE2105643A1 - METHOD AND DEVICE FOR THE ELECTROCHEMICAL PRODUCTION OF HYDROGEN FROM WATER VAPOR AND NITROGEN FROM AIR - Google Patents

METHOD AND DEVICE FOR THE ELECTROCHEMICAL PRODUCTION OF HYDROGEN FROM WATER VAPOR AND NITROGEN FROM AIR

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Description

Verfahren und Vorrichtung zur elektroohemisohen Herstellung von Wasserstoff aus Wasserdampf und Stiokstoff aus Luft Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorriohtung zur Herstellung von Wasserstoff aus Wasserdampf und Stiokstoff aus Luft mit galvanisohen Festelektrolytzellen. Mir die Anwendung der Erfindung kommen vor allem Chemiebetriebe in Betracht, die Ammoniak synthetisieren und Wasserstoff sowie Stickstoff bzw. inerte Sohutz- oder Spulgase benötigen.Method and device for the electro-chemical production of hydrogen from water vapor and nitrogen from air The invention relates to a method and a device for the production of hydrogen from water vapor and nitrogen from air with galvanic solid electrolyte cells. Me the application of the invention chemical plants that synthesize ammonia and hydrogen are particularly suitable as well as nitrogen or inert Sohutz- or purge gases.

Zur Gewinnung von Wasserstoff ftlr Synthesen und andere Zwecke sind seit langem eine ganze Reihe von Verfahren bekannte zu denen in Jüngster Zeit die Herstellung von Wasserstoff durch elektroohemische Abtrennung von Sauerstoff aus erhitztem Wasserdampf in Festelektrolyzellen hinzugekommen ist. Bei dem neuartigen elektroohemisohen Verfahren wird unter Aufwendung elektrischer Energie in Zellen mit sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten kathodisoh \Yasserdampf reduziert und anodisoh Sauerstoff entbunden bzw. ein vorbeigeführtes brennbares Gas oxydiert. Das Verfahren hat den Vorteil, daß es unmittelbar sehr reinen Wasserstoff liefert.For the production of hydrogen for synthesis and other purposes A number of procedures have long been known to those of recent times Production of hydrogen by electro-chemical separation of oxygen heated water vapor has been added in solid electrolyte cells. With the new electroohemisohen process uses electrical energy in cells with oxygen ion-conducting solid electrolytes cathodisohydrate reduced and anodisohoxy releases oxygen or oxidizes a flammable gas that has passed by. The process has the advantage that it immediately provides very pure hydrogen.

Um Ammoniaksythesegaß zu gewinnen, wird vorgesehen, parallel zur Wasserstoffherstellung Luft in bekannter leise zu verflüssigen und destillativ zu zerlegen. Es wurde aber auch vorgeschlagen, in Festelektrolytzellen unter Aufwendung elektrisoher energie aus Luft Sauerstoff abzutrennen, wobei die übrigen 3estandteile, also vorwiegend Stickstoff, hinterbleiben.In order to win Ammoniaksythesegaß, is provided, parallel to the hydrogen production To liquefy air in the known quietly and to break it down by distillation. But it was also proposed in solid electrolyte cells using electrical energy to separate oxygen from air, with the remaining 3 constituents, i.e. predominantly Nitrogen, left behind.

Zur Wasserstoff- und Stiokstoffproduktion mit Festelektrolytzellen benötigt man große Mengen elektrischer Energie, und zwar in Form starker Gleichströme.For hydrogen and nitrogen production with solid electrolyte cells you need large amounts of electrical energy, in the form of strong direct currents.

Der lrtungsgrad der Energieerzeugung und Stronleitungsverluste spielen daher eine wesentliche Rolle in den Betriebskosten. Die Wasserdampfzerlegung in Festelektrolytzallen mit anodischer Brenngasoxydation und Zufuhr elektrischer Energie erscheint ökonomisch nicht sehr viel vorteilhafter als bekannte Verfahren der Wasserstoffgewinnung duroh Dampf-Reforming Ton Kohlenwasserstoffen, da auch das Brenngas für den Betrieb der Festelektrolytzellen aufbereitet werden muß.The degree of efficiency of power generation and power line losses play a role therefore an essential role in operating costs. The decomposition of water vapor in Solid electrolyte cells with anodic fuel gas oxidation and supply of electrical energy does not appear to be economically much more advantageous than known processes for producing hydrogen duroh steam reforming clay hydrocarbons, as also the fuel gas for operation the solid electrolyte cells must be processed.

Vorliegende Erfindung bezweckt nun die Herstellung von Wasserstoff aus '7asserdampf und Stickstoff aus Luft mit Hilfe von Festelektrolytzellen so zu gestalten, daß sich gegenüber bekannten Verfahren deutliohe ökonomische Vorteile ergeben.The present invention now aims at the production of hydrogen from water vapor and nitrogen from air with the help of solid electrolyte cells design that there are clear economic advantages over known processes result.

Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Viasserstoff- und Stiokstoffproduktion in Festelektrolytzellen eng mit hocheffektiven Verfahren der Gewinnung elektrisohen Gleichstroms zu verbinden, so daß ein hoher Gesamtwirkungsgrad bei möglichst geringem Materialaufwand resultiert, Erfindungsgernß wird diese Aufgabe gelöst durch die Kombination von energieverbrauchenden Festelektrolytzellen, die aus Wasserdampf Sauerstoff abtrennen, mit energieliefernden Festelektrolytzellen, die als Brennstoffzellen arbeitend luftsauerstoff mit einem brennbaren Gas umsetzen und Stickstoff als Restkomponente liefern.The invention is based on the task of producing hydrogen and nitrogen in solid electrolyte cells closely with highly effective methods of obtaining electrons To connect direct current, so that a high overall efficiency with the lowest possible Cost of materials results, this object is achieved by the invention Combination of energy-consuming solid electrolyte cells made from water vapor Separate oxygen with energy-supplying solid electrolyte cells, which are used as fuel cells working to convert atmospheric oxygen with a flammable gas and nitrogen as a residual component deliver.

Wie bekannt, werden Festelektrolytbrennstoffzellen zu großen Aggregaten zusammengesohaltet, wobei sie sich dann selbst auf der erforderlichen hohen Betriebstemperatur von etwa 600 bis 1300 °C haltens Da solche Aggregate mit einem Wirkungsgrad bei 60 % arbeiten, lohnt sich bereits die Kombination getrennter Einrichtungen mit Festelektrolytzellen - einesteils für die Energiegewinnung und anderntelis für die Wasserdampfzerlegung - zu der erfindungsgemäßen Einheit.As is known, solid electrolyte fuel cells become large aggregates together, whereby they then themselves at the required high operating temperature from about 600 to 1300 ° C Since such aggregates with an efficiency work at 60%, the combination of separate facilities is already worthwhile Solid electrolyte cells - on the one hand for energy generation and on the other hand for Water vapor decomposition - to the unit according to the invention.

Weitgehend werden Jedoch die Festelektrolytzellen zur Wasserdampfzerlegung mit denjenigen zur Energieerzeugung und gewünschten Falles auch Stiokstoffgewinnung erfindungsgemäß in einer geschlossenen Einrichtung auf engem Raum elektrisch sowie möglichst auch bezüglich des Brenngasraumes zusammengeschaltet. Einesteils werden mehrere Festelektrolytbrennstoffzellen und anderenteils auch mehrere Festelektrolytzellen für die Wasserdampfzerlegung zu rohrförmigen Zellenaggregaten verbunden und die als Rohre parallel nebeneinander oder ineinander angeordneten Zellenaggregate so in Serie geschaltet, daß ein elektrischer Kreisstrom entsteht, der aus dem Wasserdampfraum und aus dem Luftraum in den gemeinsamen Brenngasraum Sauerstoff elektrochemisch überführt.However, the solid electrolyte cells are largely used for water vapor decomposition with those for energy production and, if desired, also nitrogen production according to the invention in a closed facility in a small space electrically as well if possible also interconnected with regard to the combustion gas space. Become one part several solid electrolyte fuel cells and, on the other hand, also several solid electrolyte cells connected to tubular cell aggregates for the steam decomposition and the as tubes parallel next to one another or one inside the other cell aggregates like this connected in series so that an electrical circulating current arises from the water vapor space and oxygen electrochemically from the air space into the common combustion gas space convicted.

Wie gefunden wurde, läßt sich die Gasausbeute, d. h.As has been found, the gas yield, i.e. H.

die pro Mol Brenngas gewinnbare molare Menge Wasserstoff und Stickstoff sowie die Produktionadichte, d. h.the molar amount of hydrogen and nitrogen that can be obtained per mole of fuel gas as well as the production density, d. H.

die pro Volumeneinheit Anlage gewinnbare Menge Wasserstoff und Stickstoff, mit dem Zahlenverhältnis der zusammengesohalteten Elektrolyse- und Brennstoffsellen ß = zE/zB ändern, In erster Näherung gilt für die Gasausbeuten (Brenngas CO; n- Substanzmenge in mol) und für die Produktionsdichten Hierin bezeichnen EB die mittleren EMK der Brennstoffzellen, EE die mittlere EMK der Zellen zur Wasserdampfzerlegung, PB und PE dazu die mittleren Polarisationsspannungen, RF den mittleren Winderstand und VF das mittlere Volumen (Aggregatvolumen/ZeIlen-Zahl) einer einzelnen Festelktrolytzelle.the amount of hydrogen and nitrogen that can be obtained per unit volume of the system, with the numerical ratio of the electrolysis and fuel cells held together ß = zE / e.g. change, as a first approximation applies to the gas yields (fuel gas CO; n- amount of substance in mol) and for the production densities Here, EB denotes the mean emf of the fuel cells, EE the mean emf of the cells for water vapor decomposition, PB and PE the mean polarization voltages, RF the mean wind position and VF the mean volume (aggregate volume / number of cells) of a single solid electrolyte cell.

ß (EE - PE) ist klein gegen (EB - PB). Deshalb hängen die Produktionsdichten im wesentlichen gemäß den Faktoren PJ (ß + 1)2 und 1/ (ß + t)2 von ß ab und unterscheiden sich für Wasserstoff und Stickstoff durch die Produktionskonstanten Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, ist hohe Gasausbeute nicht mit hoher Productionsdichte verbunden und ein sehr unterschiedlicher Verlauf der beiden Parameter gegeben. Bei dem auf die Ammoniaksynthese abgestimmten == 5,6 werden nur 52 % der maximal möglichen Wasserstoffproduktion erhalten.ß (EE - PE) is small compared to (EB - PB). Therefore the production densities essentially depend on the factors PJ (ß + 1) 2 and 1 / (ß + t) 2 on ß and differ for hydrogen and nitrogen by the production constants As FIGS. 1 and 2 show, a high gas yield is not associated with a high production density and there is a very different curve for the two parameters. With the == 5.6 matched to the ammonia synthesis, only 52% of the maximum possible hydrogen production is obtained.

Dagegen erzielt man bei maximaler Dichte der Wasserstoffproduktion (ß 3 1) nur eine Gasausbeute von 50 %.In contrast, hydrogen production is achieved at maximum density (ß 3 1) only a gas yield of 50%.

Erfindungsgemäß wird ein Schaltungsquotient zE/zB zwischen 1 und 5,6 gewählt und zwar derart, daß als Kompromiß zwischen Brennstoffnutzung (Gasausbeute) und Anlagennutsung (Produktionsdiohte) der optimale ökonomische Effekt entsteht.According to the invention, a circuit quotient zE / is, for example, between 1 and 5.6 chosen in such a way that as a compromise between fuel use (gas yield) and plant use (production dowte) the optimal economic effect arises.

Günstig erscheint beispielsweise der Wert D = 3, d. h. die Zusammenschaltung der Brennstoffzellen mit jeweils der dreifachen Menge Festelektrolytzellen zur Wasserdampfzerlegung.The value D = 3, for example, appears to be favorable. H. the interconnection of the fuel cells each with three times the amount of solid electrolyte cells for the decomposition of water vapor.

In diesem Falle werden 75 % der maximal möglichen Dichte der Wasserstoffproduktion erhalten und die Gasausbeute betragen H2 = 0,75 sowie N2 r 0,47 Bei der Ammoniaksynthese bleibt etwa die Hälfte des erhaltenen Stickstofies übrig und kann anderweitig verwendet werden.In this case, 75% of the maximum possible density of hydrogen production will be obtained and the gas yield is H2 = 0.75 and N2 r 0.47 in the ammonia synthesis about half of the nitrogen obtained remains and can be used elsewhere will.

In der erfindungsgemäßen Vorriohtung werden Festelektrolyte bekannter Art aus Zirkonoxid mit beliebigem Gehalt an Hafniumoxid und mit einzelnen oder gemisohten Zusätzen von Magnesium-, Calcium-, Scandium-, Yttriumoxid oder Oxiden der Lanthaniden, vorzugsweise aus einem Gemisch von 82 Mol - % ZrO2, 10 Mol - % PO, und 8 Mol -MgO, verwendet und Nötigenfalls mit Sinterhilfen wie Aluminium-, Beryllium- oder Eisenoxid zu dichten Keramiken verarbeitet. Die Elektroden bestehen bekannterweise, soweit sie mit reduzierenden gasen in Beruhrung kommen, aus porösen Schichten von Nickel, Kupfer, Eisen, kobalt oder einer anderen, unter den gewählten Betriebsbedingungen beständigen reinen, gemischten oder legierten Metallphase mit nötigenfalls zur Herabsetzung der Sinterung untergemischten Hilfsmittel wie Zirkonoxid.Solid electrolytes are becoming better known in the device according to the invention Kind of zirconium oxide with any content of hafnium oxide and with single or mixed ones Additions of magnesium, calcium, scandium, yttrium oxide or oxides of lanthanides, preferably from a mixture of 82 mol% ZrO2, 10 mol% PO, and 8 mol -MgO, used and if necessary with sintering aids such as aluminum, beryllium or iron oxide processed into dense ceramics. The electrodes are known to exist so far they come into contact with reducing gases, made of porous layers of nickel, Copper, iron, cobalt or any other, under the selected operating conditions stable pure, mixed or alloyed metal phase with, if necessary, for reduction Auxiliaries such as zirconium oxide mixed in with sintering.

Um die Polarisation an den Elektroden unter reduzierendem Gas zu vermindern und die Einstellung des Wassergasglelohgewicht es zu katalysieren, wird erfindungsgemäß dem Elektrodenmaterial ein Zusatz von 5 - 50 Gew. -% untergemengt oder eine Zwisohensohioht aus dem entsprechenden Stoff zwischen Festelektrolyt und Elektrode gebracht, und zwar bestehend aus Cer- Chrom- oder Uranoxid mit Festelektrolytbestandteil, vorzugsweise aus 30 bis 80 31 - % Chrom-, Cer- oder Uranoxid plus 10 bis 55 Mol-f Zirkonoxid plus 10 bis 15 Mol-% Yttriumoxid. Soweit sie oxidierendem Gas ausgesetzt sind, werden die Elektroden aus bekannten gut leitenden oxidischen Material wie Strontiumlanthan- oder Praseodymkobaltat oder Jeweils ohne oder mit Zusätzen wie Aluminiumoxid zur Verbesserung von Sinter- und Hafteigenschaften gebildet.To reduce the polarization on the electrodes under reducing gas and the adjustment of the water gas fatigue weight to catalyze it is according to the invention An additive of 5 - 50% by weight or an intermediate mixture is mixed into the electrode material brought from the corresponding substance between the solid electrolyte and the electrode, and Although consisting of cerium, chromium or uranium oxide with a solid electrolyte component, preferably from 30 to 80 31 -% chromium, cerium or uranium oxide plus 10 to 55 mol-f zirconium oxide plus 10 to 15 mole percent yttria. As far as they are exposed to oxidizing gas the electrodes made of well-known, highly conductive oxidic material such as strontium lanthanum or praseodymium cobaltate or in each case with or without additives such as aluminum oxide for Improvement of sintering and adhesive properties formed.

Falle die Zellenserien nicht durch bereits bekante Verfahren der Serienschaltung Ton Festelektrolytzellen aneinandergefügt werden, sind die Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen sowie zwischen Zellenserien auf verschiendenen Festelektrolxtrohren erfindungsgemäß mit Hilfe duroh die Festelektrolytwand geführter und darin mit einem Glas gasdioht eingeschmolzener Metalldrähte, gemischter Metall-Keramik-Karper oder Keramikstifte aus elektronisch leitendem Material der für die Elektroden unter oxidierrendem Gas genannten Art herzustellen.Do not trap the cell series by already known methods of series connection Clay solid electrolyte cells are joined together, are the connections between the individual cells as well as between cell series on different fixed electrolx tubes according to the invention with the help of duroh the solid electrolyte wall guided and therein with a Glass gasdioht fused metal wires, mixed metal-ceramic bodies or Ceramic pins made of electronically conductive material for the electrodes under oxidizing Gas called type to produce.

Werden verschiedene Brennstoff- und Elektrolytzellenserien aus gleichen gasreseroiren beschickt, so können infolge unterschiedlicher Strömungswiderstände zwischen diesen Zellenserien merkliche Unterschiede im Umsatzgrad der Gase und in der Leistung auftreten. Ein Ausgleich der Betriebsdaten wird außer roh Yarlation von Strömung widerständen (Bltndeq) erfindungsgemäß dadurch geschaffen, daß man bei Gruppen von Serien aus Brennstoff- und Elektrolytzellen gleichartige Eadpcle der Brennstofizellenserien miteinander elektrisch leitend verbindet.Will different fuel and electrolyte cell series be the same gas reserves charged, so can as a result of different flow resistances between these cell series there are noticeable differences in the degree of conversion of the gases and in performance occur. A compensation of the operating data is except raw yarlation of flow resistances (Bltndeq) according to the invention created by the fact that Eadpcle of the same kind for groups of series of fuel and electrolyte cells which connects the fuel cell series to one another in an electrically conductive manner.

Von den verbundenen Endpolen der Gruppen von Zellenserien kann man erfindungsgemäß auch elektrische Leitungen aus dem Aggregat herausführen, um über diese Leitungen zusätzlich elektrische Energie einzuspeisen oder elektrische Energie zu entnehmen. Auf diese Weise läßt sich der Wärmehaushalt der Anlage beeinflussen und die Produktionsdiohte variieren.From the connected end poles of the groups of cell series one can according to the invention also lead out electrical lines from the unit to over these lines also feed electrical energy or electrical energy refer to. In this way, the heat balance of the system can be influenced and the production diameters vary.

Sofern man Kohle oder Kohlenwasserstoffe als Brennstoffe benutzt, wird dieser Brennstoff erfindungsgemäß in einem in den Gasgenerator einbezogenen Reaklionsraum mit einem Teil des von den Anoden der Brennstoff- und Elektrolysezellen abströmenden, mehr oder weniger oxidierten Brenngases und mit Wärme aus den Zellenaggregaten zu frisohem Brenngas umgesetzt.If coal or hydrocarbons are used as fuel, this fuel is included according to the invention in a in the gas generator Reaction room with part of the anodes of the fuel and electrolysis cells outflowing, more or less oxidized fuel gas and with heat from the cell units converted to fresh fuel gas.

Ein Teil des Anodengases durchläuft also einen Kreislauf.Part of the anode gas therefore goes through a cycle.

In den Festelektrolyzellen wird es oxidiert im Brennstoffreaktor in endothermer Reaktion regeneriert und nach der notwendigen Reinigung erneut den Zellen zugeführt. In dem Maße, in dem sich die Molzahl im Brennstoffreaktor vergrößert, wird oxidiertes Brenngas direkt aus den Zellenaggregaten oder aus nachgeschalteten separaten Brennstoffzellen bzw Ver brennungsanlagen, die die Verbrennung des Abgases nutzbringend vervollständigen dem Schornstein zugeführt. Bei überschüssiger Wärme in der Anlage läßt sich auch ein Brenngasüberschuß produzieren und für anderweitige Ver-Wendung in das Gasnetz ableiten.In the solid electrolyte cells it is oxidized in the fuel reactor endothermic reaction regenerates and after the necessary cleaning the cells again fed. As the number of moles in the fuel reactor increases, will oxidized fuel gas directly from the cell units or from downstream separate ones Fuel cells or combustion systems that use the combustion of the exhaust gas complete fed to the chimney. If there is excess heat in the system an excess of fuel gas can also be produced and used for other purposes discharge into the gas network.

Der kontinuierliche Betrieb des erfindungsgemäßen Gasgenerators erfordert die Regelung verschiedener Parameter.The continuous operation of the gas generator according to the invention requires the regulation of various parameters.

Die Anlage hält sich durch die in den Brennstoffzellen anfallende reversible Reaktonswärme sowie durch die am Innenwiderstand aller Festelektrolytzellen anfallende JOULEsohe Wärme auf Betriebstemperaturen zwischen 600 und 13000 C. Das weder Abkühlung noch Überhitzung auftreten, kann unter anderem durch den Brenngasstrom geregelt werden.The system keeps itself through the accumulating in the fuel cells reversible reaction heat as well as due to the internal resistance of all solid electrolyte cells accruing JOULEsohe heat at operating temperatures between 600 and 13000 C. That neither cooling nor overheating can occur, among other things due to the flow of fuel gas be managed.

Dieser Gasstrom ist so einzustellen, daß beim Umsatz in der Anlage gerade soviel Wärme entsteht, wie durch Austausch mit der Umgebung (Abetrahlung, Verbrauch in Reaktoren oder Verdampfern) verloren geht. Die Regelung erfolgt mit Hilfe eines Temperaturfühlers, der den Brenngasstrom ueber bekannte Einrichtungen bei steigender Temperatur der Anlage drosselt und bei fallender Temperatur erhöht. Das Temperatursignal wird in entsprechender Weise und in zweckmäßig abgestuftem Grade auch zu Regelung anderer genannter, den Wärmehaushalt beeinflussender Betriebsgrößen benutzt.This gas flow is to be adjusted so that the conversion in the plant just as much heat is generated as through exchange with the environment (radiation, Consumption in reactors or evaporators) is lost. The regulation takes place with With the help of a temperature sensor, the fuel gas flow over known devices throttles when the temperature of the system rises and increases when the temperature falls. The temperature signal is graded in a corresponding manner and in an expedient manner Also for the regulation of other named operating parameters that influence the heat balance used.

Der Wasserdampfstrom durch die Elektrolysezellen ist erfindungsgemäß so einzuregeln, daß am Ende der Zellen stets ein ueberschuß an Wasserdampf vorhanden ist.The water vapor flow through the electrolytic cells is according to the invention to be regulated so that there is always an excess of water vapor at the end of the cells is.

Dieser Überschuß steigert etwa die Gesamtspannung im Leiterkreis und damit die Strom- bz. Produktionadiohte, Er kann aber zugleich auch als Kühlmittel zur Temperaturregelung der Anlage benutzt werden. Aus dem produzierten H2/H2O-Gemisch wird der Wasserdampf im erforderlichen Iß in Wärmetauschern auskondensiert und nötigenfalls mit Trookenmitte oder elektrochemisch in nachgeschalteten Festelektrolytzellen mit geregelter Elektrolysespannung entfernt.This excess increases the total voltage in the conductor circuit and thus the power or production radio, but it can also be used as a coolant can be used to control the temperature of the system. From the produced H2 / H2O mixture the water vapor in the required Iß is condensed in heat exchangers and if necessary with Trookenmitte or electrochemically in downstream solid electrolyte cells with regulated electrolysis voltage removed.

In Stahlrohren, die ins Innere oder die Wäude der Anlage eingebaut sind, kann, soweit es des Wärmehaughalt zuläßt, Wasserdampf aus Wasser hergestellt und übsrhitzt werden. In steel pipes that are built into the interior or the building of the system can, as far as the heat retention allows, water vapor can be produced from water and become overheated.

Die benötigte Luft ist erfindungsgemäß mit ihrem natürlichen Feuchtigkeitsgehalt, mit zusätzlicher Anfeuchtung bei Normaltemperatur oder mit Wasserdampfzusätzen nach Erzitzung zu verwendet. Bei völlig trockenem und zu schwachem Lufstrom könnte nach Abtrennung des gesamten Sauerstoffes in dem Letzten Zellen einer Zellenserie, in denen an der Kathode nur nach Stickstoff vorliegt, durch die elektromotorische Kraft der übrigen Zellen eine Zersetzung des Festelektrolyten eintreten. Bei Anwesenbeit von Wasserdampf beginnt nach Abtrennnung des Luftsauerstoffes jedech die Zerlegung des Wasserdampfer ohne Angriff des Besielektrolyten, Talls am Ende der Zellenserie die Wasserdampizerlegung einsetzt, der Luftstrom also zu sohwach ist, fällt die Gesantspannung dieser Brennstoffzellenserien als Signal geregelt, und zwar Luftstrom erfindungsgemäß mit der Gesamispannung der Brennstoffzellenserien als Signal geregelt, und zwar so, daß möglichst wenig oder kein Sauerstoff im Gasstrom verbleibt.The required air is according to the invention with its natural moisture content, with additional moistening at normal temperature or with water vapor additives Orification used to. If the airflow is completely dry and too weak, it could be after Separation of all oxygen in the last cells of a cell series, in which is only present after nitrogen at the cathode, due to the electromotive force of the remaining cells, the solid electrolyte will decompose. If you are present of water vapor begins to decompose after separation of the atmospheric oxygen of the water steamer without attack by the electrolyte, Talls at the end of the cell series the water vapor decomposition begins, so the air flow is too weak, the falls The total voltage of this fuel cell series is regulated as a signal, namely air flow regulated according to the invention with the total voltage of the fuel cell series as a signal, in such a way that as little or no oxygen as possible remains in the gas stream.

Die Regelung des Luftstroms für ganze Gruppen von Zellenserien erfolgt mit Hilfe der Spannung zwisken den erfindungsgemäßen Verbindungen gleichartiger Endrole von Brennstoffzellenserien.The air flow is regulated for entire groups of cell series with the help of the voltage between the compounds according to the invention more similar End roll of fuel cell series.

Etwaige geringe Sauerstoffreste im Stickstofstrom aus den Brennstoffzellen werden, soweit sie bei Verwendung des Stickstoffes stören, durch Zudesieren der für den Umsatz zu Wasserdampf notwendigen Menge Wasserstoff oder durch elektrochemischen Entzug in nachgesohalteten Festelektrolytzellen mit konstanter Elektrolysespannung entferten wozu Maßfühler in Form von Festelektrolytzellen zur Gasanalyse Regelsignale liefern. Any small residual oxygen in the nitrogen flow from the fuel cells are, as far as they interfere with the use of nitrogen, by metering the for the conversion to water vapor necessary amount of hydrogen or by electrochemical Withdrawal in subsequent solid electrolyte cells with constant electrolysis voltage removed measuring sensors in the form of solid electrolyte cells for gas analysis control signals deliver.

Im erhaltenen Stickstoff ist neben den Edelgasen noch das Kohlendioxid der Luft vorhanden, das sich mit Wasserstoff teilweise zu Kohlenmonoxid umsetzt.In addition to the noble gases, there is also carbon dioxide in the nitrogen obtained in the air, which partially converts with hydrogen to carbon monoxide.

Sofern der geringe Gehalt stört, muß vor oder nach Passieren der Anlage eine Abtrennung nach bekannten Verfahren vorgenommen werden.If the low content is a problem, it must be done before or after passing the plant a separation can be carried out by known methods.

Um an der Anlage die Gasumsätze unter Kontrolle zu halten und zu regeln, werden erfindungsgemäß die elektromotorischen Kräfte an separaten Festelektrolytzellen auf den Festelektrolytrohren, in den Gasleitungen, in Rohrversseigungen oder hinter Gasentnahmesonden gemessen, wobei insbesondere das in die Brennstoffzellen eintretende Brenngas, das mehr oder weniger oxidierte Brenngas, ss resultierende 1;iasserstofffNasserdampf-Gemisch und der austretende Stickstoff interessieren.In order to keep the gas turnover under control and to regulate the system, According to the invention, the electromotive forces are applied to separate solid electrolyte cells on the solid electrolyte pipes, in the gas pipes, in pipe connections or behind Gas sampling probes measured, in particular that entering the fuel cells Fuel gas, the more or less oxidized fuel gas, ss resulting 1; hydrogen / steam mixture and the emerging nitrogen are of interest.

zuverlässige Signale zur Regelung wie auch zurpotentiometrischen Bestimmung der Gaszusammensetzung erhält man vorzugsweise mit Luft an der Bezugselektrode der Meßzellen.reliable signals for regulation as well as for potentiometric determination the gas composition is preferably obtained with air at the reference electrode Measuring cells.

Anlagen der erfindungsgemäßen Art stellen geschlossene ElnheLten d: denen ein Brennstoff sowie Wasser und Luft zugeführt werden und die neben dem nicht verwendbaren Abgas Wasserstoff und Stickstoff abgehen. Sie zeichnen sich von bekannten Elektrolyseanlafen dadurch aus, daß sie Gleichstromgeneratoren hohen Wirkungsgrades selbst enthalten. Gegenüber der bekannten Wasserelektroijse entfallen also Kraftwerk sowie Stromtransport-und -wandungseinrichtungen.Systems of the type according to the invention provide closed elements d: to which a fuel as well as water and air are supplied and those next to that are not usable exhaust gas come off hydrogen and nitrogen. You stand out from familiar ones Electrolysis systems are characterized by the fact that they are high-efficiency direct current generators even included. Compared to the well-known Wasserelektroijse there is no need for a power station as well as power transmission and wall facilities.

Im Hinblick auf die Ammoniaksynthese entfallen auch separate Anlagen zur Stiokstoffgewinnung, da die erfindungsgemäßen Anlagen selbst Stickstoff im Überschuß liefern. Wasserstoff und Stickstoff werden in hoher Reinheit bei einem minimum an Material- und Energieaufwand in einem kontinuierlichen, auf verschiedene Weise in seiner Wirkung und Leistung regelbaren Verfahren gewonnen.With regard to the ammonia synthesis, separate plants are also not required for nitrogen production, since the systems according to the invention themselves nitrogen in excess deliver. Hydrogen and nitrogen are in high purity at a minimum Material and energy consumption in a continuous, in various ways in its effect and performance gain controllable procedures.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden, ohne die Vielfalt der anhand der erfindungsgemäßen Lösung möglichen Ausführungsformen damit einengen zu wollen. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1: die Abhängigkeit der Gasausbeute von Verhältnis der Zahl der Elektrolysezellen zur Zahl der Brennstoffzellen, Fig. 2: die Abhängigkeit der Produktionskonstante vom Verhältnis der Zahl der Elektrolyse zellen zur Zahl der Brennstcffzellen, Fig. 3: Teiquerschnitt, Teilansicht und *islaufschema zu einem Anlagenmodul, Fig. 4: die Aufsicht auf einen tnlagenmodul, Fig. 5: den Schaltplan zu Gruppen aus 10 Brennstoff- und 30 Elektrolysezellen, Fig. 6: den Querschnitt durch ellen Anlagenmodul und den benachbarten Raum mit Reaktionskammer, Fig. 7: den Grundriß einer ringförmigen Anordnung von 20 Modul.The invention is to be described in more detail below using an exemplary embodiment are explained without the variety of possible on the basis of the solution according to the invention Embodiments wanting to narrow it down. In the accompanying drawings show: 1: the dependence of the gas yield on the ratio of the number of electrolysis cells for the number of fuel cells, FIG. 2: the dependence of the production constant the ratio of the number of electrolysis cells to the number of fuel cells, Fig. 3: Partial cross-section, partial view and diagram of a system module, Fig. 4: the top view of a system module, Fig. 5: the circuit diagram for groups of 10 fuel and 30 electrolysis cells, FIG. 6: the cross-section through ellen plant module and the adjacent space with reaction chamber, Fig. 7: the plan view of an annular arrangement of 20 modules.

Auf Grund der in den bereits erläuterten Figuren 1 und 2 dargestellten Beziehungen wird im Ausitllrrungsbeispiel den Brennstoffzellen die dreifache Anzahl Elektrolysezellen zugeordnet.On the basis of those shown in FIGS. 1 and 2, which have already been explained Relationships is three times the number in the training example of the fuel cells Assigned to electrolytic cells.

Figur 3 zeigt den Querschnitt durch ein einseitig geschlossenes Festelektrolytrohr mit in Serie gesohalteten Brennstofizellen, aus dem innen Stick stoff vom Sunde abgesogen und Luft von außen nachgesogen wird, den Ouerschnitt durch ein einseitig geschlossenes Festelektrolytrohr mit in Serie geschalteten Elektrolysezellen, aus denen innen Wasserstoff vom Ende abgesogen und Wasserdampf aus einem Zwischenraum nachgesogen wird, und die Ansicht eines zweiten derartigen Festelektrolytrohres mit in Selie geschalteten Elektrolysezellen, Die Yersohaltung der Anoden auf der Außen- und der Ka.thoden auf der Innenwand der Festelektrolytrohreüber Bohrungen durch den Festelektrolytengeht unmittelbar aus den Querschnittszeichnungen hervor. Zur Gruppe der Festelektrolytrohre, deren Zellen sämtlich zu einer Serie zusammengeschaltei sind, gehört ein viertes Rohr, das sich vor dem in der Ansicht gezeichneten befindet und nicht abgebildet ist. Aus Figur 4 wird der Grundriß solcher Grupren und aus Figur 5 die elektrische Schaltung ersichtlich;der Schaltplan zeigt auch elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Gruppen zum Leistungsausgleich, zur Signalgabe nach außen sowie gegebenenfalls zur Energieruführung bzw.FIG. 3 shows the cross section through a solid electrolyte tube closed on one side with fuel cells held in series, with nitrogen from the inside sucked in and air is sucked in from the outside, the cross section through a one-sided closed solid electrolyte tube with series-connected electrolysis cells those inside, hydrogen sucked from the end and water vapor from a gap is nachgesucht, and the view of a second such solid electrolyte tube with electrolysis cells connected in Selie, the Yerso holding of the anodes on the Outer and Ka.thoden on the inner wall of the solid electrolyte tubes via holes due to the solid electrolyte is evident from the cross-sectional drawings. To the group of solid electrolyte tubes, the cells of which are all connected together to form a series belongs to a fourth pipe, which is in front of the one drawn in the view and is not shown. The plan of such groups is shown in FIG. 4 and from Figure 5 shows the electrical circuit; the circuit diagram also shows electrical Connections between the individual groups for power balancing and signaling to the outside and, if necessary, for energy supply or

-entnahme.Es werden beispielsweise 150 dieses Gruppen in einem der Module untergebracht, aus denen sich größere Anlagen aufbauen, Sämtliche Festelektrolytrohre eines Moduls stehen in einem gemeinsamen Brenngasraum, in den von oben frisches Brenngas einströmt und aus dem serbrauchtes Brenngas unten durch einen Zwischenraum seitlich austritt.For example, 150 of these groups will be in one of the Modules housed from which larger systems are built, all solid electrolyte tubes of a module are in a common combustion gas space, into which fresh Fuel gas flows in and out of the consumed fuel gas below through a gap emerges laterally.

in Teil dieses verbrauchten Brenngases wird in den Schornstein entlassen, das übrige Gas bildet unter Zufuhr von Brennstoff und Wärme neues Brenngas, das nach Reinigung den Zellen zugeleitet wird.part of this used fuel gas is released into the chimney, the remaining gas forms new fuel gas with the addition of fuel and heat, the is fed to the cells after cleaning.

In Figur 6 ist dargestellt, wie in einer kreisfbrmigen Anordnung der in Figur 7 gezeigten Art in engem thermischen Kontakt zwischen den Modulen die Reaktonskammern für die Herstellung des Brenngases sowie Leitungen und Wärmetaustausoher unterzubringen sind. Der zentrale freie Raum der Kreisanordnung nimmt Einrichtungen zur Gasreinigung auf.In Figure 6 is shown how in a circular arrangement of the The type shown in Figure 7 in close thermal contact between the modules, the reaction chambers for the production of the fuel gas as well as lines and heat exchangers are. The central free space of the circuit arrangement accommodates gas cleaning facilities on.

Mehrere Schichten von Je 20 Moduln übereinander gebaut führen zu turmartigen Gasgeneratoren, aus denen man die Produkte Wasserstoff und Stickstoff in Sammelleitungen, wie sie Figur 4 zeigt, zur Verarbeitung herauszieht. Da freier Sauerstoff nur durch Keramikrohre fließt, können die Gasbehälter weitestgehend aus metallischen Werkstoffen hergestellt werden. Die Außenhaut der Anlage umschließt die in Figur 3 und 6 sichtbare Schicht zur thermischen Isolation, die sich in Wasserdampf befindet. Weitere notwendige Isolationaschiehten wurden in den Zeichnungen fortgelassen. Jeder einzelne Modul der Anlage ist von außen zugänglich, so daß sich die Meßfühler zur Regelung bequem anbringen und bei Störungen, Veränderungen, Reparaturen, Absohiltungen und Auswechselungen vornehmen lassen.Several layers of 20 modules each built on top of each other lead to tower-like structures Gas generators, from which the products hydrogen and nitrogen are put into manifolds, as shown in Figure 4, pulls out for processing. Because free oxygen only comes through Ceramic pipes flows, the gas containers can largely be made of metallic materials getting produced. The outer skin of the system encloses the one visible in FIGS. 3 and 6 Thermal insulation layer located in water vapor. Other necessary Isolation layers have been omitted from the drawings. Every single module the system is accessible from the outside, so that the sensors for control are convenient and in the event of malfunctions, changes, repairs, cancellations and replacements have it done.

Claims (9)

PatentansprücheClaims 1. Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von Wasserstoff aus Wasserdampf und Stickstoff aus Luft, dadurch gekennzeichnet, daß Festelektrolyt zellen, die aus Wasserdampf Sauerstoff abtrennen, mit Festelektrolytzellen, die Luftsauerstoff mit einem brennbaren Gas umsetzen und Stickstoff als Restkomponente liefern, kombiniert wurden, und zwar vorzugsweise in der Art, daß in einer gesohlossenen Vorriohtung auf engem Raume Serien von Festelektrolytzellen zur Wasserdampf- bzw.1. Process for the electrochemical production of hydrogen Water vapor and nitrogen from air, characterized in that solid electrolyte cells that separate oxygen from water vapor, with solid electrolyte cells that React atmospheric oxygen with a flammable gas and nitrogen as a residual component deliver, have been combined, preferably in such a way that in one closed Provision in confined spaces, series of solid electrolyte cells for water vapor resp. Luftzerlegung parallel nebeneinander oder ineinanker angeordnet sind, wobei in diesen Stromkreisen das VerhGltnis der Zahl der Wasserdampfzellen zur Zahl der Luftzellen zwischen 1 und 5 bis 6 liegt. Air separation are arranged parallel to each other or in an anchoring, where in these circuits the ratio of the number of water vapor cells to the number of the air cells is between 1 and 5 to 6. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das fUr die Anoden der beiden Arten von Festelektrclytzellen benötigte Brenngas in einem Reaktionsraum innerhalb der Anlage aus sohle oder Kohlenwasserstoffen mit Wärme und mehr oder weniger oxidiertem Brenngas aus den Feselektrolytzellen produziert und somit ein Teil des Anodengases Jewils im Kreis durch die Anlage geschickt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the for the The anodes of the two types of solid electrolyte cells require fuel gas in a reaction space inside the plant from sole or hydrocarbons with heat and more or less oxidized fuel gas is produced from the solid electrolyte cells and thus a Part of the anode gas Jewils is sent in a circle through the plant. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmehaushalt der Anlage durch die Menge des zugeführten Brenngases, die Menge des mit oxydiertem Brenngas umgesetzten Primärbrennstoffes, die Menge des durchgeleiteten Wasserdampfüberschusses, die Menge parallel aus Wasser produzierten Wasserdampfes, die Menge der über die elektrischen Zu- und Abführungen der Festelektrolyzellen zusätzlich zugeführten oder entnommenen elektrischen Energie oder durch einen Teil dieser Mittel mit Hilfe der Anlagentemperatur als Signal geregelt wird.3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the Heat balance of the system by the amount of fuel gas supplied, the amount of primary fuel reacted with oxidized fuel gas, the amount of that passed through Excess water vapor, the amount of water vapor produced in parallel from water, the amount of over the electrical supply and discharge of the solid electrolyte cells additionally supplied or withdrawn electrical energy or controlled by some of these means with the help of the system temperature as a signal will. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benötigte Luft mit ihrem natürlichen Feuohtigkeitsgehalt, mit zusätzlicher Anfeuchtung bei Normaltemperatur oder mit Wasserdampfzusätzen, nach Erhitzung verwendet wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the required Air with its natural moisture content, with additional humidification Normal temperature or with the addition of steam, is used after heating. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Regelung des Luftstromes als Signal die Gesamtspannung der Brennstoffzellenserie bzw. die Spannung zwischen elektrischen Verbindungen gleichartiger Endpole verschiedener Brennstoffaillenserien dient.5. The method according to claim 4, characterized in that in the Regulation of the air flow as a signal for the total voltage of the fuel cell series or the voltage between electrical connections of similar end poles of different types Fuel enamel series is used. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung von Brenngas, oxydiertes Brenngas und resultierendem Wasserstoff/ Wasserdampfgemiah sowie Stickstoff an der elektromotorischen Kraft separater Festelektrolytzellen gaspotentiometrisch kontrolliert und die Regelung der Anlage mit Hilfe der Signale dieser Zellen durohgeführt wird.6. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the Composition of fuel gas, oxidized fuel gas and resulting hydrogen / Water vapor mixture and nitrogen in the electromotive force of separate solid electrolyte cells Gas-potentiometric controlled and the regulation of the system with the help of the signals of these cells is durohführung. 7. Feselektrolytzellen zur DurohfUhrung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt aus Zirkonoxid mit beliebigem Gehalt an Hafniumoxid und aus einzelnen oder gemischten Zusätzen von Magnesium-, Calcium-, Soandium-', Yttriumoxid oder Oxiden der tanthamiden zusammengesetzt ist, daß die Elektroden unter reduzierenden Gasen aus porösen Schichten von Nickel, Kupfer, Eisen, Kobalt oder einer anderen, unter den Betriebsbedingungen beständigen reinen, gemischten oder legierten Metallphase mit untergemischten Antisintermitteln wie Zirkonoxid als Zusatz von 5 - 50 Get.-; bestehen oder daß zwischen Festelektrolyt und Elektrode eine Schicht gelegt ist, bestehend aus 30 bis 80 Mol-% Chrom-, Cer-oder Uranoxid plus 10bis 55 Mol-% Zirkonoxid plus 10 bis 15 Mol-% Yttrium-, Magnesium- oder sonstigem Feselektrolytzusatzoxid.7. solid electrolyte cells for DurohfUhrung the method according to claim 1, characterized in that the solid electrolyte made of zirconium oxide with any Content of hafnium oxide and from individual or mixed additions of magnesium, Calcium, soandium, yttrium oxide or oxides of the tanthamides is composed, that the electrodes are exposed to reducing gases made of porous layers of nickel, copper, Iron, cobalt or another pure, mixed or alloyed metal phase with mixed in anti-sintering agents such as Zirconium oxide as an addition of 5 - 50 parts; exist or that between Solid electrolyte and electrode are placed in a layer consisting of 30 to 80 mol% Chromium, cerium or uranium oxide plus 10 to 55 mol% zirconium oxide plus 10 to 15 mol% yttrium, Magnesium or other solid electrolyte additive oxide. 8. Vorriohtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruoh 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den einzelnen Feselektrolytzellen sowie zwischen Zellenserien auf verschiedenen Festelektrolytrohren mit Hilfe durch die Feselektrolytwand gefthrter und darin mit einem Glas gasdicht eingeschmolzener Metalldrähte, gemischter Metall-Keramik-Körper oder Keramikstifte aus Material der für die Elektroden unter oxidierendem Gas verwendeten Art hergestellt sind.8. Vorriohtung for performing the method according to Anspruoh 1 thereby characterized in that the connections between the individual solid electrolyte cells as well as between cell series on different solid electrolyte tubes with the help of the solid electrolyte wall is guided and fused in gas-tight with a glass Metal wires, mixed metal-ceramic bodies or ceramic pins made of material from for the electrodes are made under oxidizing gas type used. 9. Vorrichtung zur Durchftllirung des Verfahrens nach Anaspruch 1 und 8, dadurch gekennleichnet, daß bei Gruppen von Serien aus Brenastofi- und Elektrolysezellen gleichartige Endpole der Brennstoffzellserien miteinander leitend verbunden und von diesen Leitungen aus der Anlage herausgeführt sind.9. Device for carrying out the method according to claim 1 and 8, characterized in that in groups of series from Brenastofi- and electrolysis cells Similar end poles of the fuel cell series are conductively connected to one another and are led out of the system by these lines.
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